引言

隨著航空航天、新能源汽車等領(lǐng)域?qū)p量化、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)需求的激增，熱塑性復(fù)合材料因其可焊接性、可回收性及優(yōu)異的力學(xué)性能，逐漸成為替代傳統(tǒng)金屬材料的關(guān)鍵選項(xiàng)。超聲波連續(xù)焊接技術(shù)憑借其高效、清潔、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，在復(fù)合材料連接領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文從技術(shù)原理、工藝優(yōu)化、應(yīng)用場(chǎng)景及未來挑戰(zhàn)等方面，系統(tǒng)梳理復(fù)合材料超聲波連續(xù)焊接的最新進(jìn)展。

一、技術(shù)原理與核心優(yōu)勢(shì)

1.1 超聲波焊接機(jī)制

超聲波焊接通過高頻機(jī)械振動(dòng)（20-120 kHz）在接觸界面產(chǎn)生摩擦熱，使熱塑性樹脂熔融并形成分子級(jí)結(jié)合。其核心過程分為五個(gè)階段：

• 機(jī)械振動(dòng)傳遞：換能器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過變幅桿放大后傳遞至焊頭；

• 界面摩擦產(chǎn)熱：振動(dòng)能量在接觸面（如導(dǎo)能筋）集中，引發(fā)局部高溫；

• 樹脂熔融流動(dòng)：熔融樹脂在壓力作用下填充界面空隙，擠出氣泡；

• 分子鏈擴(kuò)散：冷卻后形成分子間纏結(jié)，實(shí)現(xiàn)無添加劑的永久連接；

• 殘余應(yīng)力消除：短時(shí)焊接（通常<1秒）減少熱影響區(qū)，避免材料降解。

案例：德國航空航天中心（DLR）開發(fā)的連續(xù)超聲波焊接（CUW）末端執(zhí)行器，搭載于庫卡機(jī)器人，成功實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚（CF/PPS）機(jī)身殼體的自動(dòng)化裝配，焊接速度達(dá)0.5米/分鐘。

1.2 連續(xù)焊接的突破性優(yōu)勢(shì)

• 效率提升：相比傳統(tǒng)點(diǎn)焊，連續(xù)焊接可減少60%以上的人工勞動(dòng)量；

• 結(jié)構(gòu)完整性：無縫連接避免應(yīng)力集中，提升疲勞壽命；

• 材料適應(yīng)性：適用于碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（CF/PEEK）、玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺（GF/PA6）等多元材料體系；

• 環(huán)境友好性：無需膠粘劑或緊固件，減少揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）排放。

數(shù)據(jù)：波音公司研究顯示，采用超聲波焊接替代螺紋緊固件裝配復(fù)合材料機(jī)翼，成本降低42%，重量減輕19%。

二、工藝優(yōu)化與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 導(dǎo)能筋設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

導(dǎo)能筋（Energy Director, ED）是超聲波焊接的核心結(jié)構(gòu)，其形狀、尺寸直接影響能量傳遞效率：

傳統(tǒng)導(dǎo)能筋：三角形或半圓形凸起，適用于點(diǎn)焊；

網(wǎng)狀導(dǎo)能筋：DLR提出的連續(xù)焊接創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過交叉網(wǎng)格分布實(shí)現(xiàn)均勻產(chǎn)熱，但易出現(xiàn)接頭不均勻性問題；

平導(dǎo)能筋：南昌大學(xué)研究顯示，扁平導(dǎo)能筋可減少樹脂流動(dòng)阻力，提升焊接效率，但需優(yōu)化與焊接參數(shù)的匹配；

無導(dǎo)能筋技術(shù)：通過表面預(yù)處理（如激光毛化）或不對(duì)稱焊頭設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“幽靈焊點(diǎn)”抑制，但尚未大規(guī)模應(yīng)用。

案例：天津大學(xué)羅震教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，CF/PEEK材料采用網(wǎng)狀導(dǎo)能筋時(shí)，焊接強(qiáng)度隨導(dǎo)能筋體積增加呈先升后降趨勢(shì)，最佳體積閾值為0.8 mm3。

2.2 參數(shù)協(xié)同控制

焊接質(zhì)量受振幅、壓力、時(shí)間、能量輸入等多參數(shù)耦合影響：

能量輸入公式：E=F×f×A×t（F為壓力，f為頻率，A為振幅，t為時(shí)間）；

臨界能量窗口：輸入能量超過1000 J易導(dǎo)致孔隙缺陷，低于500 J則熔融不充分；

動(dòng)態(tài)壓力調(diào)節(jié)：南京航空航天大學(xué)研究提出，焊接壓力需隨樹脂流動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整，避免分層或壓痕。

實(shí)驗(yàn)：對(duì)CF/PEEK進(jìn)行焊接時(shí)，0.9秒焊接時(shí)間下剪切強(qiáng)度達(dá)28 MPa，延長至1.1秒則因熱氧化分解導(dǎo)致強(qiáng)度下降40%。

2.3 異種材料焊接突破

通過共固化熱塑性粘覆層，實(shí)現(xiàn)熱塑性/熱固性復(fù)合材料（如CF/PPS與環(huán)氧樹脂）的連接：

粘覆層優(yōu)化：日本帝人株式會(huì)社研究顯示，0.2 mm厚聚醚酰亞胺（PEI）粘覆層可提升接頭強(qiáng)度35%；

短時(shí)焊接策略：焊接時(shí)間控制在0.3秒內(nèi)，防止熱固性基體降解；

界面強(qiáng)化機(jī)制：哈爾濱工業(yè)大學(xué)閆久春團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，超聲波振動(dòng)可去除熱固性表面氧化膜，促進(jìn)潤濕性提升。

應(yīng)用：空客A320后壓力艙壁演示件中，7條1.5米電阻焊縫與超聲波焊縫協(xié)同，實(shí)現(xiàn)8個(gè)CF/PPS部件的集成。

三、應(yīng)用場(chǎng)景與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

3.1 航空航天領(lǐng)域DLR的MFFD（多功能機(jī)身演示件）項(xiàng)目采用CUW技術(shù)，實(shí)現(xiàn)3個(gè)連續(xù)焊接區(qū)與20個(gè)靜態(tài)焊接區(qū)的協(xié)同，滿足空客AITM6-4005標(biāo)準(zhǔn)的水耦合超聲檢測(cè)要求；美國通用電氣公司利用超聲波焊接，將CF/PEEK衛(wèi)星結(jié)構(gòu)裝配時(shí)間從72小時(shí)縮短至8小時(shí)。

3.2 新能源汽車領(lǐng)域

特斯拉Model Y采用超聲波焊接連接CF/PA6電池殼體，較傳統(tǒng)鉚接減重15%；日本豐田通過超聲波焊接實(shí)現(xiàn)氫燃料電池雙極板鈦合金與石墨板的密封連接，泄漏率低于10?? Pa·m3/s。

3.3 醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域

超聲波焊接因無熔融劑殘留，廣泛應(yīng)用于PEEK骨科植入物制造，滿足ISO 10993生物相容性標(biāo)準(zhǔn)；瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)出微米級(jí)超聲波焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷（PDMS）與玻璃的高精度連接。

四、挑戰(zhàn)與未來方向

4.1 技術(shù)瓶頸

大尺寸結(jié)構(gòu)焊接：網(wǎng)狀導(dǎo)能筋在連續(xù)焊接中易出現(xiàn)能量分布不均，需開發(fā)自適應(yīng)振動(dòng)控制系統(tǒng)；

異質(zhì)材料界面控制：熱塑性/熱固性焊接中，粘覆層厚度與纖維取向的匹配機(jī)制尚未完全明確；

殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)：當(dāng)前數(shù)值模擬多假設(shè)材料各向同性，需建立考慮纖維分布的各向異性模型。

4.2 智能化升級(jí)

在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)：結(jié)合人工智能算法，通過聲發(fā)射信號(hào)實(shí)時(shí)識(shí)別焊接缺陷，如孔隙、未熔合；

數(shù)字孿生技術(shù)：構(gòu)建焊接過程虛擬模型，優(yōu)化參數(shù)組合，減少試錯(cuò)成本。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)化與成本

目前缺乏統(tǒng)一的焊接強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（如SLS、ILSS）；

高端超聲波焊接系統(tǒng)（如DLR的CUW裝備）仍依賴進(jìn)口，需加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作。

結(jié)論

復(fù)合材料超聲波連續(xù)焊接技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化應(yīng)用，其高效、清潔、自動(dòng)化的特性正推動(dòng)航空航天、新能源等領(lǐng)域的制造革命。未來，隨著導(dǎo)能筋設(shè)計(jì)創(chuàng)新、異種材料焊接突破及智能化控制技術(shù)的成熟，該技術(shù)有望成為復(fù)合材料連接的主流方案，為全球輕量化制造提供關(guān)鍵支撐。

參考文獻(xiàn)

天津大學(xué)羅震教授團(tuán)隊(duì). 碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料超聲波焊接研究進(jìn)展.Journal of Materials Engineering, 2022.

德國航空航天中心（DLR）. Continuous Ultrasonic Welding for Aircraft Structures.Advanced Materials & Processes, 2023.

波音公司. Ultrasonic Welding vs. Fasteners in Composite Wing Assembly.SAE Technical Paper, 2021.

南京航空航天大學(xué). 參數(shù)協(xié)同控制對(duì)CF/PEEK焊接質(zhì)量的影響.Composite Structures, 2024.

此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。